一种对多跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法

2021-11-08李保军宋建平

西部交通科技 2021年8期

李保军，宋建平

(广西交科集团有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

在我国普通钢筋混凝土梁桥，特别是普通钢筋混凝土空心板梁桥，因其采用简单便捷的预制拼装施工工艺，2004年以前被我国各等级公路广泛使用。但是随着材料的老龄化和日益增加的交通量，大部分普通钢筋混凝土梁出现大量的裂缝，部分裂缝已超过规范限宽，桥梁承载力和舒适性下降，已经满足不了现行交通需求。若拆掉重建，需投入较大经济成本。目前对普通钢筋混凝土梁桥主要的加固方法有[1]：粘贴钢板或纤维复合材料、增大截面积、施加体外预应力等。大量实例及研究表明粘贴钢板或纤维复合材料等被动方法加固的效果有限，且新旧材料的粘合好坏程度直接影响加固的效果[2]，从大量常规加固方法的实例中可以看出桥梁加固后运营不久就会出现新老材料脱离、粘结力下降等问题，结构裂缝得不到有效限制，甚至发展成新的裂缝，桥梁承载力提高不显著。增大截面积法对恒载增加较大，且新旧混凝土界面处因结合不良易出现裂缝。体外预应力筋或体外预应力碳纤维板等主动加固方法存在有效预应力随时间降低的问题[3-5]，长期加固效果降低明显。

本文提出的多跨普通钢筋混凝土主动加固方法，是在由梁受力改变为梁拱受力结构体系的基础上，增加顶升梁体获得有效预应力的方法，能有效提高桥梁承载力，收缩梁体裂缝宽度，提高桥梁的耐久性。该加固方法施工简单，后期有效预应力可监测，且易于提高预应力度。

1 加固方法介绍

本文提出一种对多跨普通钢筋混凝土梁桥增设钢拱片的主动加固方法，该方法是通过在普通钢筋混凝土梁下设置钢拱片，桥台处钢拱片拱座通过植入原桥台的锚栓固定，桥墩处钢拱片拱座通过植入桥墩盖梁的锚栓及与墩柱间钢横梁焊接固定，钢拱片和拱座通过焊接固定。钢拱片两侧拱脚焊接钢拉杆铆座，铆座间装置钢拉杆，拉杆中间设置花篮螺丝以调解拉杆内力。钢拱片和普通混凝土梁间设置钢支撑柱，每片混凝土梁底根据受力需要增设1～2片钢拱片，钢拱片横向间设置横联形成整体，如图1所示。拱片和普通混凝土梁间设置钢支撑柱，形成加固拱片和原普通钢筋混凝土梁间的刚性约束支撑体系。钢支撑柱所提供的竖向力通过临时支撑点上的千斤顶顶升后，钢支撑柱将钢拱片和混凝土梁间顶紧，释放临时支撑点上的千斤顶，千斤顶上的支撑力转移到永久固定的钢支撑柱上。普通钢筋混凝土梁桥增设钢拱片的主动加固方法，施工简单快捷，质量容易控制，加固后混凝土梁结构受力明确，内力计算简单。

图1 钢拱片加固示意图

本文提出的针对多跨普通钢筋混凝土梁桥的主动加固方法，是基于由梁受力改变为梁拱受力结构体系的基础上，增加多点弹性支撑，减小桥梁跨度，增加顶升梁体获得有效预应力的方法，施工过程基本不影响梁体结构，能有效提高桥梁承载力，减小桥梁挠度，收缩梁体裂缝宽度，提高桥梁的耐久性。该加固方法因设置水平钢拉杆平衡水平推力，对桥墩不产生附加弯矩。该加固方法施工快速简单易行，后期有效预应力可通过钢支撑力传感器监测确定，通过补充顶升力即可提高梁体有效预应力度。

多跨普通钢筋混凝土梁桥采用增设预加力钢拱片的主动加固方法后，混凝土梁任意截面的弯矩减小值与拱片提供的竖直向上力P及力的加载位置Xi有关，受力简图如图2所示。

图2 加固梁后受力简图

加固后混凝土梁任意截面最大弯矩表达式为：

(1)

支点截面最大剪力表达式为：

(2)

式中：

qg——恒载均布荷载；

qp——活载均布荷载；

Pp——活载集中荷载；

P——钢拱片提供的竖直向上集中荷载；

a——混凝土梁任意截面到梁端的距离；

l——混凝土梁计算跨径；

Xi——竖直向上集中荷载到计算截面的距离；

m——计算截面左侧竖直向上集中荷载个数；

n-m——计算截面右侧竖直向上集中荷载个数；

n——竖直向上集中荷载的个数；

mc——各片混凝土梁横向分布系数，为常数；

μ——汽车冲击系数。

增设的钢拱片设计的材料和截面尺寸需根据结构所受的内力确定[6]，钢拉杆水平拉力表达式如下：

(3)

钢拱片拱脚弯矩MA和跨中弯矩MB表达式分别如下：

MA=X1+X2(d-Rcosφ0)

(4)

MB=X1-X2(R-d)

(5)

式中：

y——弹性中心到拱顶的竖向距离；

φ——钢拱片上任意点的圆心角；

φ0——钢拱片两拱脚间的圆心角；

MP——钢拱片对应的基本结构在竖直向上力P的作用下产生的弯矩；

EI——钢拱片的抗弯刚度；

EA——钢拱片的抗压刚度。

2 工程实际应用

某二级路上的一座三跨16 m跨径的普通钢筋混凝土空心板梁桥(见图3)，桥梁建成于1990年，运营27年后，梁底出现较多横向及斜向裂缝，部分裂缝超过规范限宽。原桥设计荷载等级较低，随着交通量的日益增加，桥梁承载能力不足，空心板梁跨中附近出现超宽裂缝，因此需要采用一种主动加固方法，以有效地减小混凝土梁跨中弯矩，收缩裂缝宽度，故需对该钢筋混凝土空心板梁采用梁底增设钢拱片的方法进行加固(见图4和图5)，计算加固后混凝土梁截面A、B、C弯矩与加固前截面A、B、C弯矩的比值。

图3 桥梁加固前立面图(cm)

图4 桥梁加固后立面图(cm)

图5 桥梁加固后横断面图(cm)注：1是普通钢筋混凝土梁，2是钢拱片，3是钢支撑柱，4是拱片间横联

16 m跨径的普通钢筋混凝土空心板梁桥，横向布置19片空心板，空心板汽车最大横向分布系数为0.175，汽车冲击系数为0.292，恒载均布荷载qg为13.4 kN·m，活载均布荷载qp为10.5 kN·m，活载集中荷载Pp为292 kN。一片钢拱片上设置5个竖直向上力支撑点，按桥梁跨中对称布置，支撑点间距分布为1 m和2 m，每片梁下竖直向上力P分别按10 kN、15 kN、20 kN三级加载，将以上数据带入公式：

(6)

可得到加固后混凝土梁在2 m间距的竖向力P加载30 kN作用下，跨中弯矩减少了36.4%，各个计算截面弯矩减少均在30%以上。在1 m间距的竖向力P加载30 kN作用下，跨中弯矩减少了44.2%。

由此实例可知，运用本文加固方法对混凝土桥梁加固的效果显著。普通钢筋混凝土梁通过梁底增设钢拱片的主动加固方法，在拱片和混凝土梁间加载的竖向力P为30 kN时，混凝土梁跨中弯矩减少35%以上，带来可观的工程效益。

通过不断调整在拱片和混凝土梁间加载的竖向力P的大小及间距，得到不同方案对应原普通钢筋混凝土梁弯矩的减小量情况如表1、表2所示。